Systemy automatyki budynkowej jako element inteligentnych sieci elektroenergetycznych

(1)

52

^l^{Nr 12}^l Grudzień 2013 r.

INtelIgeNtNy budyNek

Wstęp

Współczesne systemy elektroenerge- tyczne wymagają modernizacji i przysto- sowania do nowych warunków funkcjonowania, powstających na skutek wciąż rosnącej liczby dołączanych odbiorców, ograniczonych rezerw systemowych i coraz popularniejszej generacji roz- proszonej, opartej o źródła odnawialne.

Czynniki te zwiększają dynamikę zmian rozpływu mocy w systemie energetycznym oraz poziomie jego obciążenia, co wpływa na skuteczność i jakość zasi- lania odbiorców energii oraz wymaga zmian zasad funkcjonowania producen- tów energii. Dlatego też w branży ener- getyki pojawiła się idea wdrożenia tzw.

inteligentnych systemów elektroenergetycznych – Smart Grid. W systemach tego typu istnieje możliwość wykorzy- stania różnych technologii branży automatyki i teleinformatyki, jako bazy dla implementacji systemów zdalnego, inteligentnego opomiarowania odbiorców i prosumentów, organizacji kanałów transmisji i zbierania danych oraz komunikacji zwrotnej z odbiorcami [1, 2, 3].

Pierwszym etapem realizacji sieci inteligentnych są systemy zdalnego opomiarowania odbiorców – Smart Metering.

Dzięki nim możliwe jest przesyłanie danych od głównego i lokalnego dostawcy energii do odbiorców (parametry zasila- nia, parametry jakościowe dostarczanej energii, taryfy itp.) oraz od odbiorców do dostawców (poziom zapotrzebowania na energię, zużycie energii, błędy, problemy). Przy takiej wymianie informacji między różnymi podmiotami w systemie elektroenergetycznym klienci/odbiorcy mogą stać się odbiorcami aktywnymi, a po zainstalowaniu u siebie źródeł odnawialnych – prosumentami, pełniącymi w systemie energetycznym rolę odbiorcy i dostawcy energii. Prosumenci są zain- teresowani możliwościami aktywnego zarządzania poziomem i okresami poboru mocy z systemu energetycznego

(wyłączanie odbiorników w tzw. szczy- cie poboru; ustalenie maksymalnych poziomów poboru mocy; różnicowa- nie taryf itp.) oraz warunkami produk- cji i wprowadzenia energii do systemu.

Istotną rolę w realizacji tych systemów odgrywają również budynki i obiekty budowlane (domy, bloki mieszkal- ne, biura, obiekty przemysłowe, centra biurowe i hand lowe) wraz ze znajdującą się w nich różnego rodzaju infrastruk- turą sieciową i komunikacyjną, a coraz częściej również w systemy automatyki budynkowej czy przemysłowej, systemy zarządzania budynkiem – BMS. Dotyczy to w szczególności budynków biurowych, komercyjnych i użyteczności publicznej.

Infrastruktura ta może być wykorzysta- na jako element inteligentnych systemów monitoringu i opomiarowania i w tym obszarze prowadzone są badania między innymi w zespole automatyki budynkowej Katedry Energoelektroniki i Auto- matyki Systemów Przetwarzania Energii krakowskiej AGH. Urządzenia pomiaro- we wykorzystujące standardy automatyki budynkowej, umożliwiające integrację pomiarów z systemami zarządzania, sterowania i monitoringu – BMS, pojawiają się również coraz częściej w ofercie wielu firm branżowych na rynku komercyj- nym. W ramach implementacji systemów zdalnego i inteligentnego opomiarowania odbiorców proponuje się również tworzenie lokalnych sieci wymiany informacji – HAN (Home Area Network) [1, 8, 9].

Systemy automatyki budynkowej – funkcjonalności dla sieci

inteligentnych (B2G)

Podstawowym zadaniem urządzeń i systemów automatyki budynkowej jest zapewnienie komfortu i bezpieczeństwa użytkowania budynków. Funkcjonalno- ści niezbędne do realizacji tych zadań są już znane i z powodzeniem wykorzysty-

wane od wielu lat. Jednak wraz z wpro- wadzeniem w dyrektywach i normach europejskich i krajowych nowych wy- mogów dotyczących energochłonności budynków powstały nowe obszary moż- liwych zastosowań urządzeń automatyki, w szczególności tych zainstalowa- nych w dużych budynkach komercyjnych i użyteczności publicznej, zintegrowa- nych w ramach systemów BMS. Przy zachowaniu odpowiedniego komfortu i poziomu bezpieczeństwa pojawiają się koncepcje takiej organizacji funkcjonal- ności i algorytmów sterowania, które sprzyjałyby ograniczeniu zużycia energii cieplnej, elektrycznej i innych mediów wykorzystywanych w budynkach [1, 4].

Jeszcze jednym obszarem zastoso- wań systemów automatyki budynkowej, istotnym z punktu widzenia implementacji systemów Smart Metering i Smart Grid, jest obsługa na poziomie obiektowym liczników energii i mediów, urzą- dzeń AGD wyposażonych w moduły inteligentne i łącza sieciowe oraz inter- fejsów komunikacji z użytkownikiem.

Ideę tę schematycznie zobrazowano na rysunku 1, przy czym pokazano tu kon- cepcję z wydzieloną jednostką centralną.

W aplikacjach tego typu można również stosować architekturę sieci rozproszo- nych, zależnie od potrzeb i preferencji użytkownika. Działania te współgrają również z podnoszoną coraz częściej koncepcją wdrożenia tzw. „Internetu Rzeczy” (Internet of Things).

W ten sposób u odbiorcy energii po- wstaje tzw. sieć domowa HAN, w której urządzenia infrastruktury budynku są zintegrowane na najniższym poziomie obiektowym i mogą wymieniać między sobą informacje, reagować na ewentualne sygnały od użytkownika bądź zadawane z systemów nadrzędnych (infrastruktura AMI). Wielu producentów sprzętu audio i wideo oraz urządzeń AGH wprowadza już coraz częściej w swoich produktach

– Smart Metering i aktywny odbiorca

Andrzej Ożadowicz

(2)

Nr 12 ^l Grudzień 2013 r. ^l

53

Rys. 1. Idea integracji urządzeń obiektowych w budynku z wykorzystaniem sieci automatyki budynkowej i infrastruktury AMI

Rys. 2. Urządzenia domowe z interfejsami sieciowymi i zdalnego dostępu

Rys. 3. Moduły zdalnego dostępu do sieci obiektowej automatyki budynkowej

Użytkownik budynku, wyposażo- ny w tego typu urządzenia i narzędzia systemowe, może stać się aktywnym odbiorcą energii. Kolejnym elementem i etapem rozwoju koncepcji współczes

nego odbiorcy energii jest instalacja i wykorzystanie przez niego w obiekcie odnawialnych źródeł energii, dzięki któ- rym może on może zaistnieć docelowo w inteligentnym systemie energetycznym jako tzw. prosument.

Odbiorca aktywny i prosument

Wprowadzenie systemów zdalnego opomiarowania zużycia energii i mediów, bazujących na tzw. inteligentnych liczni- kach, w założeniu ich twórców powinno sprzyjać aktywizacji odbiorców energii i mediów. Oznacza to, że uświadomio- ny odpowiednio odbiorca ma dążyć do zmiany swojego profilu użytkowania energii tak, by przede wszystkim uzy- skać oszczędności związane z eksploata- cją budynku (odpowiednie stymulowanie z zewnątrz poprzez taryfy lub dodatko- we bonusy cenowe) oraz przyczyniać się w dłuższej perspektywie do maksymal- nego zrównoważenia całego systemu energetycznego, czyli zmniejszenia tzw.

szczytów poboru energii w ciągu doby.

Bardziej świadome powinno być również samo użytkowanie urządzeń elektrycz- nych czy systemów ogrzewania i HVAC – wprowadzenie harmonogramów czasowych, uzależnienie od obecności i innych czynników (poziom intensywności świa- tła dziennego, temperatura zewnętrzna i wewnętrzna itp.) i wykorzystanie w tym celu modułów automatyki budynkowej.

Aby realizować tego typu zadania, użyt- kownicy budynków muszą mieć możli- wość sprawnego, zdalnego i mobilnego komunikowania się z systemem sterowania i monitoringu poprzez interfejsy graficzne paneli operatorskich sieci HAN czy strony WWW, jak to pokazano na rysunku 4 [2, 3, 4].

Sieci automatyki budynkowej na poziomie obiektowym mogą również być wykorzystane do zdalnego monitorowania i obsługi odnawialnych źródeł energii, takich jak panele fotowoltaiczne, kolek- tory słoneczne czy pompy ciepła. Źródła te, wyposażone w odpowiednie sterow- niki z interfejsem do sieci automatyki budynkowej (LonWorks, KNX, BACnet) czy inne popularne standardy (ModBus, MBus), mogą być zintegrowane z ukła- dami monitoringu mediów, dwukierun- kowymi licznikami energii, stwarzając różne interfejsy, umożliwiające ich inte-

grację z systemami teleinformatycznymi i automatyki budynkowej w budynkach użyteczności publicznej i domach pry- watnych. Dzięki temu możliwe będzie już w najbliższej przyszłości tworzenie wspo- mnianego Internetu Rzeczy. Wykorzysty- wane są tu między innymi takie technolo- gie, jak WiFi, NFC, standardy automatyki budynkowej. Przykłady tego typu urzą- dzeń pokazano na rysunku 2 [10].

Do tak zorganizowanej sieci domowej możliwy i niezwykle przydatny jest rów-

nież zdalny dostęp, na przykład w celu zmiany harmonogramów pracy poszcze- gólnych urządzeń lub podsystemów, od- czytu danych z liczników, analizy tren- dów i profili użytkowania, monitoringu zdarzeń w obiekcie czy zmiany nastaw.

Niezbędne są w tym celu moduły route- rów (TP – PL – TCP/IP) i serwerów automatyki (wej/wyj binarne, RS485, MBus), oferowanych na rynku przez wiele firm, związanych z branżą automatyki budynkowej i przemysłowej [7, 8, 9, 10]. Wybra- ne moduły pokazano na rysunku 3.

(3)

54

^l^{Nr 12}^l Grudzień 2013 r.

użytkownikowi możliwość regulowania przepływu mocy, monitorowania poziomu generowanej energii elektrycznej lub cieplnej itp. Urządzenia automatyki, de- dykowane do tego typu zastosowań, po- jawiają się coraz częściej w ofercie firm branży automatyki i już dziś jest możliwe budowanie tego typu systemów sterowania i monitoringu. Sprzyja to praktycz- nej realizacji wspomnianej już wcześniej idei prosumenta. Wiele do życzenia po- zostawiają jednak wciąż kwestie sformu- łowania i wejścia w życie odpowiednich narzędzi prawnych i rynkowych (tzw.

mały i duży trójpak energetyczny) oraz ustaw i rozporządzeń w zakresie ochrony danych osobowych, bezpieczeństwa danych pomiarowych w systemach sieciowych itp.

Popyt na energię – element automatyki Wprowadzenie elementów monitoringu i sterowania w systemach automatyki budynkowej umożliwia zarządzanie energią i mediami w budynku – EMS (Energy Management System). Pierwszym pozio- mem realizacji tego typu systemów są wspomniane już harmonogramy czaso- we załączania urządzeń i podsystemów infrastruktury budynkowej czy urządzeń AGD oraz ich powiązanie z czujnikami obecności, temperatury, intensywności światła, kontroli dostępu itp., w ramach ustalonych algorytmów sterowania. War- to tu wspomnieć o wskazaniach normy PNEN 15232, dotyczącej wpływu sys- temów automatyki na efektywność ener- getyczną budynków, której zapisy trakto- wać należy jako podstawowe wytyczne przy opracowywaniu takich algorytmów sterowania. Niejednokrotnie przy ich ustalaniu pojawiają się również nieba- nalne problemy praktyczne. Przykładem może być powiązanie funkcjonalne sterowania żaluzjami/roletami okiennymi, oświetleniem i agregatem klimatyzacji.

Czy i w jakim momencie słonecznego dnia bardziej opłaca się zasłonić okna (ograniczyć dostęp światła naturalnego), załączyć oświetlenie sztuczne i ograni- czyć intensywność chłodzenia pomiesz- czeń, w stosunku do scenariusza z odsło- niętymi oknami, wyłączonym światłem sztucznym i działającą na nominalnych parametrach klimatyzacją? Jest to kwestia indywidulana dla różnego typu bu- dynków i wymaga każdorazowego prze- testowania oraz doboru indywidualnych nastaw. Badania tego typu scenariuszy i wynikających z nich korzyści energe-

Rys. 5. Architektura sieci komunikacji danych w systemach standardu OpenADR (DRAS – Demand Response Automation Server – Serwer Automatyki Zarządzania Popytem)

Rys. 4. Graficzne interfejsy modułów automatyki dla sieci HAN

tycznych prowadzone są między innymi w Laboratoriach Oceny Efektywności Energetycznej i Automatyki Budynków AutBudNet na krakowskiej AGH oraz w Laboratoriach Automatyki Budyn- kowej standardu KNX na Politechnice Poznańskiej [5, 6].

Poziom drugi możliwych do realizacji systemów zarządzania energią to integracja elementów automatyki z ze- wnętrznymi sieciami wymiany informacji, obsługiwanymi na przykład przez dostawcę energii i mediów. Stwarza ona

możliwość komunikacji na poziomie odbiorca – dostawca energii, gdzie ze strony odbiorcy automatycznie pobierane są dane dotyczące bieżącego poziomu poboru mocy i zużycia energii, profili użytko- wych dla różnych okresów czasowych itp. Ze strony dostawcy zaś do odbiorcy przesyłane mogą być sygnały dotyczące automatycznej zmiany taryfy ze wzglę- du na korzystną cenę energii, dane i informacje o uszkodzeniach w sieci, dane o dynamice zmian cen energii, przewidy- wanym obciążeniu sieci w danym okre-

(4)

Nr 12 ^l Grudzień 2013 r. ^l

55

sie i związanych z tym możliwych trud- nościach w zapewnieniu odpowiedniej jakości energii na łączach zasilających.

W oparciu o te sygnały odbiorca może sterować załączaniem swoich urządzeń lub też, po wybraniu trybu automatycz- nego, urządzenia samoczynnie mogą re- agować na wspomniane sygnały. W celu ujednolicenia danych i informacji prze- kazywanych w tego typu komunikacji odbiorców i dostawców zrodziła się idea standardu OpenADR (Automated De- mand Response), w którym proponuje się sformułowanie modeli komunikatów i informacji warz ze zdefiniowaniem usług sieciowych niezbędnych w tego typu komunikacji, przy obsłudze od- biorców w oparciu o wspólny harmonogram czasowy, na przykład w zakresie taryfikacji oraz możliwości włączenia lokalnych źródeł odnawialnych (tzw.

micro grids). Wiele możliwości stwa- rza ponadto integracja systemów ADR z infrastrukturą BMS i EMS, stosowaną coraz częściej w dużych obiektach budowlanych [2, 7, 10]. Dzięki możliwości zaprogramowania w nich algorytmów obsługi różnego typu zdarzeń i sygnałów zewnętrznych, budynki mogą niejako samoczynnie wprowadzić ograniczenia poboru mocy przez znajdujące się w nich urządzenia (klimatyzacja, wentylacja, piece, oświetlenie itp.), zależnie do sy- gnałów z własnych systemów sterowania lub informacji z zewnątrz, z systemu energetycznego, wraz z powiadomieniem operatorów systemu o wprowadzonych zmianach. Współpraca systemów EMS ze standardami OpenADR wymaga in- stalacji dodatkowych modułów i/lub oprogramowania, które pozwolą na pełną interakcję. Ideę połączeń i komunikacji systemów ADR pokazano na rysunku 5 [2, 4, 9, 10].

Dzięki temu system w budynku będzie miał możliwość reagowania na sygnały i wiadomości z zewnątrz, zawierające informacje np. o awariach w systemie energetycznym, zmianie parametrów za- silania, zmianie rozpływów mocy, wpro- wadzeniu taryfikacji itp. Na przykład, po otrzymaniu informacji o wzroście stawki opłaty za energię w danym okresie tary- fowym, system automatyki może automatycznie przyciemnić światło, jedno- cześnie otwierając rolety i zwiększając dopływ światła dziennego, oraz zmienić nastawy temperatur, tak by zredukować pobór energii przez urządzenia takie, jak klimatyzacja, wentylacja czy system ogrzewania elektrycznego [10].

dr inż. Andrzej Ożadowicz – AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii e-mail: ozadow@agh.edu.pl

artykuł recenzowany

Podsumowanie

Kwestia oszczędności energii elektrycznej i mediów we współczesnych budynkach odgrywa zasadniczą rolę, w kontekście ich długotrwałej eksploata- cji, zwrotu inwestycji oraz konieczności spełnienia coraz bardziej rygorystycz- nych wymogów norm dotyczących ener- gochłonności obiektów budowlanych.

Dlatego też coraz częściej w budynkach, zwłaszcza komercyjnych i użyteczno- ści publicznej, instalowane są systemy umożliwiające monitoring i zarządzanie energią oraz różnymi podsystemami infrastruktury budynkowej – EMS, BMS.

Zwykle bazują one na wybranych stan- dardach automatyki budynkowej w war- stwie obiektowej oraz innych elementach systemów teleinformatycznych. Zasto- sowanie otwartych, międzynarodowych standardów dedykowanych dla systemów automatyki budynkowej ułatwia integra- cję urządzeń monitoringu i sterowania na poziomie obiektowym. Mogą one zatem stać się ważnym elementem realizacji idei systemów inteligentnego opomiarowania i sterowania zużyciem energii w budynkach, wspierając czynnie dzia- łania samych odbiorców i użytkowników obiektów budowlanych.

Literatura

[1] N^oga M., o^żadowicz a., g^rela J.: Mo- dern, certified building automation la- boratories AutBudNet – put „learning by doing” idea into practice — No- woczesne laboratoria automatyki bu- dynkowej AutBudNet – realizacja idei ,,Nauczanie przez praktykę”. „Przegląd Elektrotechniczny, Electrical Review”

11a/2012.

[2] N^oga M., o^żadowicz a., g^rela J.: Ac- tive Consumers in Smart Grid Systems – Applications of the Building Automa-

tion Technologies — Aktywni odbiorcy w systemach Smart Grid – aplikacje technologii automatyki budynkowej.

„Przegląd Elektrotechniczny, Electrical Review” 6/2013.

reklama

[3] o^żadowicz a., g^rela J.: Aktywni od- biorcy i standardy automatyki budyn- kowej jako element Smart Meterin- gu w budynkach, 13.06.2013, portal Centrum Informacji o Rynku Energii.

www.cire.pl; portal Energetyka i Prze- mysł Online www.eiponline.pl.

[4] B^illewicz K.: Smart Metering. Inteli- gentny system pomiarowy; Wydawnic- two PWN, Warszawa 2012.

[5] K^aMińsKa a., r^adaJewsKi r.: Instala- cja do badania algorytmów sterowania oświetleniem. „Przegląd Elektrotech- niczny” 10/2010.

[6] K^aMińsKa a., r^adaJewsKi r.: Obiekty i układy do badania wpływu sterowania instalacją grzewczą na zużycie energii.

„Przegląd Elektrotechniczny” 11a/2010 [7] KNX: Tariff Management – KNX City,

KNX Journal, No. 1/2013

[8] a^Jchel M.: Schneider Electric – Smart Grid Solution by Schneider Electric – dzielimy się naszym doświadczeniem.

III Smart Communications & Techno- logy Forum, 5 czerwca 2013, Warszawa.

[9] K^oźBiał J.: Mikrotronika – Smart Com- munication – Pierwszy krok do wdro- żenia systemów Smart Grid I Smart Metering, III Smart Communications

& Technology Forum, 5 czerwca 2013, Warszawa.

[10] o^żadowicz a.: Zarządzać energią z gło- wą: OpenADR – dwukierunkowa ko- munikacja dostawcy energii – odbior- cy. „Energetyka Cieplna i Zawodowa”

6/2013, s. 109–112.